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Thomas Duncan, PhD

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Syracuse, NY 13210

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Associate Professor of 生物化学与分子生物学

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English

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Bibliography at NCBI

研究项目和附属机构

生物化学与分子生物学
Biomedical Sciences Program

RESEARCH INTERESTS

F-type ATP synthases; bioenergetics of pathogenic bacteria; enzymology; structural biology, membrane protein function.

EDUCATION INTERESTS

Bioenergetics; mitochondria; lipid and cholesterol metabolism

ASSOCIATIONS / MEMBERSHIPS

美国科学促进会(AAAS)
美国生物化学与分子生物学学会(ASBMB)
美国微生物学会

EDUCATION

Fellowship: 范德比尔特大学，1990年，生物化学 & Molecular Biology
PhD: 罗彻斯特大学医学和牙科学院，1986年，生物化学
BS: 克莱姆森大学，1981年，生物化学

RESEARCH ABSTRACT

我的研究重点是f型ATP合酶的结构和功能, 一种能量转导酶复合物，对大多数生物的能量代谢至关重要. 我目前的重点是它在细菌代谢，毒力和发病机制中的关键作用. f型ATP合酶是在细菌的内细胞膜上组装的, 真核生物的线粒体内膜和叶绿体的类囊体膜(见“简单”细菌酶的例子), Fig. 1). 在氧化磷酸化和光磷酸化的最后一步, 它利用跨膜的能量, 质子的电化学梯度(质子动力), or pmf)来驱动大多数细胞ATP的合成. 然而，这种酶在本质上是可逆的，如果失去了呼吸的驱动力(如.g., lack of O2)或光合作用(黑暗)，酶可以转变为水解细胞ATP，驱动质子(H+)以相反的方向在膜上运输并产生 pmf. 该酶对各种致病菌的生存能力和/或毒力至关重要, 其中一些依靠它来合成ATP，而另一些则只能将它作为ATP驱动的H+ pump. 尽管细菌和真核生物形式的酶在结构/功能上普遍保持一致, 贝达喹啉的开发证实了靶向这种酶攻击致病菌的潜力, 被发现是针对F分枝杆菌的OF1 目前被批准为三种药物的一部分, 治疗耐多药结核病的一线方案. 贝达喹啉是一种新的二芳基喹啉类抗生素中的第一种，对F分枝杆菌具有高度选择性OF1.

carton
Fig. 1. Cartoon of E. coli FOF1 Architecture. 箭头下方的c环表示方向转子复合体(c10在ATP合成过程中，γε)在H+ transport.
二芳基喹啉类药物已被改良以杀死其他种类的致病菌, 但这些先导化合物与线粒体F有更强的反应性OF1 在用作临床抗生素之前，还需要进一步改进. 出现这个问题是因为二芳基喹啉结合在F的一个位点上O 对H有重要作用的复合体+ 以细菌和真核形式的酶运输. 因此，我的实验室将重点放在细菌F的特定特征上OF1 这可以提供有效的方法来靶向致病菌，而不会与人类线粒体形式的F发生交叉反应OF1. 发展中的项目(见下文)包括对FOF1 in the pathogens 铜绿假单胞菌和肺炎链球菌.

 

BACKGROUND

ATP合酶由两个功能不同但耦合的亚复合物组成. 酶的基本结构以卡通形式显示在 Fig. 1 在大多数细菌中发现的最小亚基组成. The FO complex catalyzes H+ 转运并具有跨膜双层的亚基. F1 是一种延伸到水相的外周络合物，包含三个催化核苷酸结合位点，用于ATP的合成和水解. FO and F1 是通过两个茎状连接的子单元耦合的:一个中央转子轴和一个外围定子. 我和理查德·克罗斯的早期研究提供了关键的初步证据证明ATP合酶的能量耦合涉及

  1. 中心轴在F内的旋转1 协调三个合作的，交替的催化核苷酸位点的作用，和
  2. Rotation of subunits within FO 在能量驱动的质子传输过程中.

 

carton
Fig. 2. Minimal E. coli FOF1 Animation. 一个β亚基的可能构象转变和相对于一个小(~36°)旋转子步的εCTD. 一个c亚基是绿色的，用来跟踪旋转 c-环沿转子轴转动 γ(黄色)和ε (NTD/CTD，粉色/品红). 只有1个β(青色)被显示出来，而中间的α亚基没有显示出来.
我之前与蛋白质晶体学家Gino Cingolani合作，获得了第一个细菌催化复合物的良好解析结构, F1 of Escherichia coli (EcF1). Our published study, in 2011, 首次可视化了ε亚基(ε ctd)的c端结构域如何采用一种截然不同的构象并侵入EcF的中心腔1“干扰”它的旋转齿轮，以捕获酶的非活性状态. 随后的结构研究证实，这种ε ctd抑制状态也发生在EcF中1 和类似的抑制状态在F1 and FOF1 从其他细菌模型系统. 虽然ε亚基在线粒体F中有同源物OF1，它被线粒体特异性亚基固定在非抑制状态. Thus, 通过εCTD的自抑制可以提供一种细菌特异性的方法来靶向这种细菌病原体中能量代谢的关键酶, 这是我们目前研究的一个重点. 根据我们实验室和其他小组的研究， Fig. 2 显示了一个简化的动画，设想ε的构象变化如何在EcF中发生1.

 

EXPERIMENTAL SYSTEMS & CURRENT PROJECTS

我们的研究长期使用来自E. coli, 这为这种旋转运动酶的结构/功能研究提供了一个简单而有力的模型. The E. 大肠杆菌系统允许直接的遗传筛选和ATP合成酶的工程, 以及F的大规模提纯OF1 and isolated, soluble F1 用于生物化学和结构研究. 我们继续发展更详细的知识 E. coli FOF1 了解εCTD的抑制机制，以及如何更好地靶向它来破坏细菌的生物能量学. 例如，我们正在与一位单分子显微镜专家合作， Dr. Michael Börsch (Jena University, 德国)利用荧光共振能量转移(FRET)研究了ε在单个EcF中的构象变化动力学OF1-liposomes.

Much less is known about FOF1 我们已经开始研究FOF1 in 2 distinct pathogens:

  1. Pseudomonas aeruginosa. This gram-negative, 机会致病菌是囊性纤维化患者持续肺部感染和死亡的主要原因. 它对免疫功能低下的人是一种重大危害，在医院获得性感染中很普遍. 耐多药菌株不断出现, in 2017, 世界卫生组织列出的碳青霉烯耐药性 P. aeruginosa 作为迫切需要开发新抗生素的三种病原体之一. P. aeruginosa 新陈代谢强烈依赖于呼吸，ATP合酶对其生存能力至关重要. 我们目前正在与 Christopher Nomura at neighboring SUNY-ESF and Guirong Wang (Upstate department of Surgery)研究(i) F的εCTD如何OF1 影响酶的功能 P. aeruginosa in vitro (ii) εCTD的破坏是否影响病毒的毒力或发病机制 P. aeruginosa 在培养的巨噬细胞和小鼠肺部感染模型中.
  2. Streptococcus pneumoniae. 这种革兰氏阳性病原体是细菌性肺炎的主要原因，但也可导致严重的侵袭性肺炎球菌疾病，如败血症和脑膜炎. 这种耐氧厌氧菌缺乏完整的呼吸链，因此不能利用FOF1 for significant ATP synthesis. Nevertheless, FOF1 is essential for S. pneumoniae’s 活力和耐酸性，作为atp酶驱动的H+ 泵通过细胞膜产生pmf并维持细胞pH稳态. 研究小组最近对小鼠败血症进行了研究 Marco Oggioni (英国莱斯特大学)的研究表明，肺炎球菌F具有重要的毒力作用OF1: subclones of S. 肺炎，出现建立败血症最常包含一个新生的错义突变基因的一个亚单位的FOF1 (2014, Gerlini et al., PLoS Pathogens, 10 e1004026). 相反，其中一个这样的毒性克隆在基因中发生了帧移突变 atpC ε基因打乱了ε ctd的序列, 这个肺炎球菌克隆在脾脏中显示出更高的存活率. They transferred that atpC mutation to a naïve, 非包封肺炎球菌菌株, 我们正在研究εCTD的破坏是如何影响F的OF1 在肺炎球菌膜中的功能.

SELECTED REFERENCES

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G. Cingolani, T.M. Duncan (2011). ATP合酶催化复合物的结构(F1) from Escherichia coli 自我抑制的构象. Nat. Struc. Mol. Biol. 18, 701-7. http://doi.org/10.1038/nsmb.2058

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T.M. Duncan, V.V. Bulygin, Y. Zhou, M.L. Hutcheon, R.L. Cross (1995). 催化过程中亚基的旋转 Escherichia coli F1-ATPase. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 92, 10964-68. http://doi.org/10.1073/pnas.92.24.10964